TOPAZ-2型熱離子反應堆電源地面試驗臺架抽真空系統特性仿真研究

王雪瑩,程 銘,呂 征,趙愛虎

(中國原子能科學研究院反應堆工程技術研究所,北京 102413)

0 引 言

隨著人類對太空的探索逐漸深入,核動力電源在太空和星表應用的優勢日益凸顯。1969年蘇聯多個研究機構合作開發了基于熱離子轉換的TOPAZ-2型核電源系統,前后一共建造6套地面測試裝置,用于地面論證和飛行論證,完成了單機14 000 h的地面試驗,積累了大量的經驗和數據[1]?？v觀空間核反應堆電源發展歷程,核反應堆電源地面綜合試驗是電源研制的必經階段[2],在空間特殊環境約束下開展地面試驗,可以真實有效驗證電源設計方案的合理可行性,以及反應堆電源的安全可靠性[3]。為達到在地面模擬出空間環境的目的,前蘇聯建造了TOPAZ-2型熱離子反應堆電源的地面試驗臺架[4],試驗過程中地面樣機所需的真空環境由真空室提供,真空室還兼具包容樣機在事故情況下釋放的放射性物質的作用[5]。其中,真空度是影響樣機工作性能最為重要的環境因素之一,建立和維持試驗樣機運行過程中所需的真空條件需要通過真空室抽真空系統實現。

根據真空室的容積、漏氣量、極限真空度、樣機材料放氣率等因素設計一套合理可靠的抽真空系統,對地面樣機模擬空間運行環境以及安全穩定運行至關重要。使用功能全面的仿真平臺對其進行仿真建模和運行測試,是驗證真空室抽真空系統設計合理性的最直接且具有實際意義的研究手段。

1 真空室抽真空系統

真空室抽真空系統是TOPAZ-2型熱離子空間核反應堆電源地面核綜合試驗臺架的重要輔助系統,其主要功能是建立和維持試驗樣機運行過程中真空室內真空度優于1×10-2Pa,且連續運行時間不低于3年,表1所列為該系統主要設計參數。

表1 真空室抽真空系統主要設計參數Tab.1 The main parameters involved in vacuum-pumping system

系統采用兩臺10 000 L·s-1的低溫泵和四臺2 000 L·s-1的脂潤滑分子泵作為主抽泵,一臺180 L·s-1的大抽速螺桿泵作為預抽泵,并配兩臺22 L·s-1的小抽速螺桿泵作為前級泵,一用一備,前級泵主要作用是為低溫泵和分子泵的前級管路建立低真空,達到低溫泵和分子泵的啟動壓力。圖1為真空室抽真空系統流程示意圖。

圖1 真空室抽真空系統流程示意圖Fig.1 Flow diagram of vacuum pumping system

低溫泵是利用低溫表面將氣體分子冷凝、捕集、吸附到冷頭上,從而使被抽空間的真空度降低。當低溫泵冷頭上吸附的氣體分子達到飽和時,其吸附能力大大降低,這時低溫泵需要再生。如預抽之后直接開啟低溫泵,則低溫泵負載能力相對較大,而如果先開啟分子泵對真空容器抽真空,待真空度達到1×10-2Pa,再開啟低溫泵工作,這樣可延長低溫泵的吸附飽和時間,對低溫泵的壽命有一定的保護作用。同時,當低溫泵再生或者維護的過程中,可以使用分子泵作為主抽泵來維持真空室內的真空度,相當于分子泵與低溫泵之間互相備份。配置泵組時,為了提高真空系統運行的可靠性,主抽泵和副抽泵均考慮了冗余。

結合地面樣機測試過程,真空室抽真空系統運行時主要分為以下三個階段:

1)真空室預抽階段

該階段樣機處于冷態工況,設計要求在3小時內將真空室壓力從大氣壓抽到優于10 Pa的水平,期間只投入大抽速螺桿泵。

2)地面樣機升溫除氣階段

該階段從樣機升溫一直持續至達到額定運行工況,設計要求在樣機升溫過程中真空室內氣體壓力不得超過1×10-2Pa。由于此時樣機溫度逐漸升高,若無法及時將真空室內氣體抽出很容易使得材料被氧化。期間選用分子泵和低溫泵作為抽真空主泵,投入數量需通過進一步仿真模擬來確定。

3)樣機長期穩定運行階段

該階段是樣機在額定工況下長期穩定運行過程,設計要求將真空室內氣體壓力維持在低于1×10-3Pa的水平。期間選用分子泵作為抽真空主泵,投入數量需通過進一步仿真模擬來確定。

2 真空室抽氣數學模型

2.1 系統抽氣理論模型

將文獻[6]所介紹的低真空系統抽氣過程計算方法和文獻[7]所介紹的高真空系統抽氣過程計算方法相結合,形成針對于本文抽真空系統的抽氣理論模型。該系統可簡化為由真空室、抽氣主管道和真空泵機組所組成,如圖2所示。

圖2 簡化的真空系統模型Fig.2 Simplified model of the vacuum system

對抽氣管道有:

SpP0=C(P-P0)

(1)

真空系統的抽氣方程為

(2)

公式中:V0為真空室容積,m3;P為真空室內壓力,Pa;P0為真空泵的吸入壓力,Pa;Sm為真空室漏氣質量流率,kg·s-1;Pa為當地大氣絕對壓力,Pa;ρa為大氣壓力對應密度,kg/m3;Sl為真空室內材料放氣速率,Pa·m3·s-1·m-2;A為真空室內材料放氣面積,m2;Sp為真空泵入口抽速,m3·s-1;C為管道流導,m3·s-1。

2.2 管道的流導方程

管道中的流動狀態需要根據雷諾數Re大小以及管道中氣體平均壓力和管道直徑的乘積判斷,Re的表達式為

(3)

(4)

2.3 真空泵模型

根據真空室抽真空系統中所需180 L·s-1的大抽速螺桿泵的實際特性曲線擬合出Sp-P0關系式:

(5)

根據真空室抽真空系統中所需2 000 L·s-1的脂潤滑分子泵的實際特性曲線擬合出Sp-P0關系式:

(6)

根據真空室抽真空系統中所需10 000 L·s-1的低溫泵的實際特性曲線擬合出Sp-P0關系式:

(7)

2.4 真空室材料放氣量

真空室抽真空系統運行時主要為三個階段。由于在真空室預抽階段壓強在10 Pa以上且樣機處于冷態工況,材料放氣量可忽略不計,此階段真空泵所抽氣體主要為真空室內原有氣體(大氣或氬氣);地面樣機升溫除氣階段真空室內材料受溫度快速上升的影響,會產生大量氣體,此階段真空泵所抽氣體主要為材料所釋放氣體;在樣機長期穩定運行階段,溫度不再變化且壓力穩定在10-3Pa以下,真空室內材料可視為勻速放氣,此階段真空泵所抽氣體主要為材料所釋放氣體。同時,在真空室抽真空系統運行全過程都需要考慮真空室的漏氣量(kg·s-1),假設其漏氣量隨真空度的變化可忽略,為定值

Sm=1.189×10-11

(8)

表2 地面樣機升溫除氣階段材料放氣參數

由表2可以看出,真空室內主要放氣材料是不銹鋼和銅。由文獻[8]可得到不銹鋼在不同溫度下的放氣速率,并將其擬合得到不銹鋼在升溫階段放氣速率隨溫度變化Sl-T的關系式為

(9)

公式中:T為材料的溫度,℃。由文獻[7]可得到銅在不同溫度下的放氣速率,并將其擬合得到銅在升溫階段放氣速率隨溫度變化Sl-T的關系式為

(10)

假設樣機在升溫階段溫度隨時間線性增加,樣機啟動約10 h,故經過10 h達到穩定運行狀態后溫度不再上升。根據材料最終所達到溫度的不同得到材料溫度隨時間變化T-t的關系式為

(11)

公式中:tmax為材料在樣機升溫階段最終達到的溫度,℃;t為樣機升溫階段運行時間,s。

3 仿真模型的建立

3.1 仿真平臺的選擇

根據真空室抽真空系統的構成及功能,選擇合適的仿真平臺對其進行模擬研究。美國WSC公司開發的3KEYMASTER仿真平臺是一款核電廠全范圍實時仿真系統[9],平臺完全以對象為導向,支持靈活的人機界面設計,具有圖形化建模和在線修改模型能力[10],廣泛應用于核電廠領域的仿真[11-12]。同時,該平臺擁有優秀的可擴展性,開發者可以通過自行編寫平臺中的task程序,實現自己想要的功能[13-14]。因此可以根據不同真空泵的特性開發相應的泵模塊,在建模的便利性和高效性上展示出一定優勢[15-16]。3KEYMASTER仿真平臺提供了豐富的建模工具庫[17-18],其中邏輯控制工具庫中的眾多邏輯模塊經過編譯、設定、組合后,可有效地對真空室抽真空系統的控制特性和運行特性進行精確的仿真模擬[19-20],選擇該平臺對真空室抽真空系統特性的仿真研究具有較強的針對性和實用價值。

3.2 真空泵及真空室的仿真模型

由于3KEYMASTER仿真平臺中沒有真空泵的模型,因此需自建模型。建立真空泵組模型過程做出如下假設:1)分子泵和低溫泵在投入時已經完成前級預抽和啟動的工作,可直接達到額定功率下的抽速,小抽速螺桿泵為前級泵,故在建模時不予考慮。2)在抽氣過程中僅考慮真空室與真空泵組間連接管道的流導,其他結構元件的流導不予考慮。

在3KEYMASTER仿真平臺上分別新建真空室、大抽速螺桿泵、分子泵和低溫泵相應的Type及Tasks,計算流程如圖3所示,由此將程序編寫入Tasks中進行數值計算,封裝得到大抽速螺桿泵、分子泵和低溫泵的仿真模塊。其中每個泵模塊都可以獨立運行,通過修改泵模塊中“position”的值控制泵的開啟與關閉。

圖3 計算流程圖Fig.3 Calculation flow chart

真空室模塊主要包括真空室壓力、升溫階段真空室材料放氣量、真空室漏氣量。根據表2可知,聯立公式(9)和公式(11)可以得到真空室內不銹鋼分別在常溫下、升溫到200 ℃、升溫到400 ℃、升溫到500 ℃以及升溫到600 ℃下的放氣量隨運行時間Sl-t的關系式;根據表2可知,聯立公式(10)和公式(11)可以得到真空室內銅在升溫到600 ℃下的放氣量隨運行時間Sl-t的關系式。由此將程序編寫入Tasks中進行數值計算,封裝得到真空室的仿真模塊。

在Drawing中添加真空室、一個大抽速螺桿泵模塊、四個分子泵模塊和兩個低溫泵模塊,分析和組合3KEYMASTER工具庫中的相關邏輯模塊,將真空泵與運行控制直接相關的驅動特性全部仿真實現并集成,建立準確的真空室抽真空系統仿真模型,如圖4所示。

圖4 真空室抽真空系統模型圖Fig.4 Simulation model diagram of vacuum pumping system

模塊一為常量模塊,使用該模塊輸入真空室被抽氣之前的初始壓力。模塊二為求和模塊,由于分子泵和低溫泵會出現同時工作的情況,故使用該模塊將四臺分子泵和二臺低溫泵輸出的“SpCP/(Sp+C)”值進行累加,若某臺泵的開關狀態為關閉,則該值為0。模塊三為相反數模塊,作用是將“SpCP/(Sp+C)”的累加值變成其相反數,在相反數模塊后增加一個求和模塊,將相反數模塊輸出值與真空室模塊輸出的材料放氣量、真空室漏氣量進行求和。模塊四為除法模塊,分母是由真空室模塊輸出的體積參數,至此,通過以上邏輯模塊的連接已經實現公式(2)所示抽氣模型的建立。模塊五是積分模塊,可將“dP/dt”進行積分得到總抽氣量產生的壓力變化,再與真空室的初始壓力求和即可求出此刻的真空室壓力,并反饋回真空室作為下一時刻真空泵組的輸入壓力,如此形成循環,即可的得到真空室壓力在不同工況下隨時間的變化曲線。

4 仿真運行特性研究

4.1 仿真運行

在3KEYMASTER仿真平臺中,根據功能需求,針對搭建好的真空室抽真空系統模型,展開三個抽氣階段的運行特性研究。

1)真空室預抽階段:輸入真空室初始壓力為大氣壓“P=101 325”,開啟大抽速螺桿泵,待到真空室內真空度抽到優于10 Pa,關閉大抽速螺桿泵。運行結果如圖5所示,真空室壓力逐漸減小,大抽速螺桿泵大約需要2 500 s,即45 min,可將真空室壓力抽到優于10 Pa的水平。

圖5 真空室預抽階段壓力曲線Fig.5 Pressure curve of vacuum chamber during pre-pumping stage

2)地面樣機升溫除氣階段:針對此階段真空機組投入方式,模擬了以下3種工況:①投入四臺分子泵和兩臺低溫泵;②投入三臺分子泵和一臺低溫泵,剩余一臺分子泵和一臺低溫泵作為備用;③投入兩臺分子泵和一臺低溫泵,剩余兩臺分子泵和一臺低溫泵作為備用。關閉大抽速螺桿泵的同時開啟分子泵,待真空室內壓力低于10-2Pa時開啟低溫泵,與此同時,真空室材料隨樣機溫度的上升不停釋放氣體,放氣量先增加再減小。運行結果如圖6所示,三種工況下真空室壓力隨運行時間變化趨勢一致。開啟分子泵后,真空室壓力由5 Pa迅速下降至10-3Pa以下,隨后開始增大,緊接著開啟低溫泵,壓力略有下降后又逐漸增大,當運行至第5.6 h左右,即樣機約300 ℃時,真空室壓力開始下降。其中,工況①、工況②、工況③在此階段所達到最大壓力分別為7.1×10-3Pa、5.4×10-3Pa、3.2×10-3Pa。由此可見,在此階段影響真空室壓力的主要因素是材料放氣量,真空室壓力最大點也是材料放氣量最大點。

3)地面樣機長期穩定運行階段:針對此階段真空機組投入方式,模擬了以下三種工況:①投入兩臺分子泵;②投入一臺分子泵;③投入兩臺分子泵和一臺低溫泵。此時真空室內材料視為勻速放氣,總放氣量為各個材料在穩定運行溫度下的放氣量總和,其值為4.698×10-4Pa·m3·s-1,同時考慮了真空室漏氣量。運行結果如圖7所示,保留兩臺分子泵時,關閉其他泵后真空室壓力略有上升,最終穩定在2.53×10-4Pa;保留一臺分子泵時,關閉其他泵后真空室壓力上升,最終穩定在5×10-4Pa;將兩臺分子泵和一臺低溫泵全部保留時,真空室壓力最終穩定在1.25×10-4Pa。說明在只保留一臺分子泵進行抽氣的情況,完全可以滿足真空室壓力長期優于10-3Pa的需求。

圖7 地面樣機長期穩定運行階段壓力曲線Fig.7 Pressure curve of vacuum chamber prototype during long-term operation stage

4.2 結果分析

由運行結果可見,基于3KEYMASTER仿真平臺建立的真空室抽真空系統模型,可以較好地模擬真空室抽真空系統在不同階段的抽氣過程,并得到了滿足設計需求下真空機組的最佳投入方式。

在真空室預抽階段,考慮真空室漏氣量的情況下,一臺大抽速螺桿泵可滿足將真空室壓力抽至10 Pa的需求;在地面樣機升溫除氣階段,同時考慮高溫高壓下材料放氣量和真空室漏氣量,三種真空機組投入方式均可滿足真空室內壓力保持在10-2Pa以下的需求,考慮到系統冗余性,此階段真空機組的最佳投入方式為兩臺分子泵搭配一臺低溫泵,剩余兩臺分子泵和一臺低溫泵作為備用;在地面樣機長期穩定運行階段,同時考慮材料放氣量和真空室漏氣量,一臺分子泵即可滿足真空室內壓力長期保持在10-3Pa以下的需求,故此階段真空機組最佳投入方式為投入一臺分子泵,剩余三臺分子泵作為備用。

5 結 論

1)本文以TOPAZ-2型熱離子核反應堆電源為研究對象,針對核綜合試驗臺架真空室抽真空系統的設計方法,運用仿真建模技術開展具體研究,驗證了系統設計的可行性。

2)根據真空室抽氣理論模型,結合高溫高壓下樣機材料的放氣量及真空室漏氣量,在3KEYMASTER仿真平臺上開發得到真空室、螺桿泵、分子泵和低溫泵仿真模塊,通過平臺的邏輯控制建模工具建立了真空室抽真空系統的仿真模型。對不同階段下的系統抽氣狀態進行了仿真試驗,掌握了系統運行特性和關鍵數據,得到了真空室預抽階段、地面樣機升溫除氣階段和地面樣機穩定運行階段在各種抽真空機組投入情況下真空室內壓力隨時間變化趨勢曲線,并優化得到各階段抽真空機組最佳投入方式。

3)真空室抽真空系統的設計方法是合理可行的,采用3KEYMASTER仿真平臺對其進行建模驗證的方法是精準適用的,這為今后的空間核電源地面試驗臺架研究以及航空航天領域的空間模擬裝置研究提供了重要參考價值。